Затяжка резьбовых соединений

Надежность соединений зависит от технического уровня конструкции в целом, качества крепежных деталей, условий сборки, длительного сохранения необходимого усилия предварительной затяжки в период эксплуатации. ГОСТ Р 52627 и 52628-2006 устанавливают основные силовые параметры резьбовых соединений: минимальную разрушающую Р _р, Н и пробную нагрузку N, Н. Усилие предварительной затяжки Q, Н (далее – усилие затяжки), на которое производится затяжка резьбового соединения, обычно принимается в пределах 75…80%, в отдельных случаях и 90%, от пробной нагрузки. Существует несколько способов затяжки резьбовых соединений: затяжка до определенного момента, затяжка до определенного угла, затяжка до предела упругости и другие.

Наиболее распространена затяжка соединений до определенного вращающего момента затяжки (далее – момента затяжки, М _кр, Нм), который обычно указывается в чертежах или технологии сборки. В автопроме для назначения моментов затяжки используются отраслевые стандарты и руководящий документ, которые распространяются на резьбовые соединения с болтами, шпильками и гайками с цилиндрической метрической резьбой и зависят от размеров, класса прочности крепежной детали и класса соединения.

В зависимости от степени ответственности соединений назначаются классы резьбовых соединений и соответствующие им величины максимальных и минимальных моментов затяжки, объема их контроля (проверки). Класс 1-й (особо ответственные соединения) М _кр ±5 % и класс 2-й (ответственные) М _кр +5…-15% имеют объём контроля затяжки 100%. Класс 3-й (общего назначения) М _кр +5…-35% и класс 4-й (малоответственные соединения) М _кр +5…-65% контролируют периодически согласно техдокументации.

Номинальный крутящий момент рассчитывается по формуле

М _кр = 0,001 Q∙ [0,16 Р + μ_р ∙0,58 d ₂ + μ_т ∙0,25(d _т + d ₀)],

где μ_р – коэффициент трения в резьбе;

μ_т - коэффициент трения на опорном торце;

d _т – диаметр опорной поверхности головки болта или гайки, мм;

d ₀ – диаметр отверстия под крепежную деталь, мм;

Р – шаг резьбы, мм;

d ₂ – средний диаметр резьбы, мм.

Наибольшее влияние на затяжку соединений оказывают условия контактного трения в резьбе и на опорной поверхности, зависящие от состояния контактных поверхностей, вида покрытия, наличия смазочного материала, отклонение от перпендикулярности опорного торца и оси резьбы, скорости завинчивания и др. Значения коэффициента трения в реальных условиях сборки можно лишь прогнозировать. Как показывают многочисленные эксперименты, они не стабильны. Для понимания и правильного назначения режимов сборки резьбовых соединений важно знать, на что расходуется М _кр. Три составляющие момента затяжки (согласно формуле) отражают их доли, идущие на создание усилия затяжки (12…15%), на преодоление сил трения в резьбе (32…39%) и на преодоление сил трения под головкой болта или под гайкой (47…54%). Как видим, на создание усилия затяжки расходуется меньшая доля от М _кр. В расчётах обычно принимают, что коэффициенты трения в резьбе и на опорном торце примерно равны.

Приприменении соединений с фланцевыми болтами и гайками важно учитывать влияние на момент затяжки увеличенной опорной поверхности под головкой. Момент требуется на 10-15% выше, чем без фланца.

Способ затяжки по моментуиз-засильного влияния условий трения не обеспечивает достижения необходимого усилия затяжки.

Рассмотрим пример соединения болт-гайка М8 класса прочности 8.8-8, покрытие цинковое с хроматированием без смазочного материала, номинальное усилие затяжки Q = 15900 Н, М _{кр max} = 24,4 Нм. Построим диаграмму в координатах Q – М _кр (рис. 43) при значениях коэффициентов трения 0,3, 0,14 и 0,10 для соединений 1I и III классов. Виден весьма существенный разброс достигаемых значений усилия затяжки (заштрихованная четырехугольная зона) при заданных крутящих моментах. Для соединений II класса это А ₂ ВСD ₂, а III класса – А ₃ ВСD ₃.

Рис. 43

Минимально достигаемое усилие затяжки Q _min получается при приложении минимального крутящего момента затяжки М _{кр. min} при максимальном коэффициенте трения μ_max (точки А ₂ и А ₃ на диаграмме).

Максимальное усилие затяжки Q _max достигается при приложении максимального крутящего момента М _{кр. max} при наименьшем коэффициенте трения μ_min (точка С на диаграмме). Подобные графические изображения могут быть построены для каждого конкретного резьбового соединения.

Точка соответствующего соотношения М _кр. – Q находится внутри четырёхугольника. Показано, что способ затяжки с контролем момента даже при его точной фиксации не обладает необходимой надежностью, далеко не всегда обеспечивает нужное усилие затяжки.

Предлагаемые методы контроля основаны на замере не усилия затяжки, а момента страгивания затянутой крепёжной детали в направлении затяжки, то есть базируются на косвенных методах – приложением вращающего момента.

В мировой практике имеется опыт применения методов и инструментов, которые непосредственно контролируют усилие затяжки в ходе сборки. Исследования показывают, что наибольшая точность обеспечения усилий затяжки (в том числе в производственных условиях) возможна лишь при затяжке до предела текучести. Система автоматического регулирования сборки позволяет уловить момент, когда малое приращение усилия происходит при значительном угле поворота инструмента. Однако эти методы и инструменты сложны и дороги.